Ceramic inks for digital decoration - Ferro

Maurizio Ragnetti
Ferro Tile Coating Systems
technology
Ceramic World Review
136 n. 68/2006
Ceramic inks
for digital decoration
Ceramic decoration has undergone enormous
technological development over the last 20 years.
While artistic ceramic production has remained
faithful to traditional methods and materials that
have been perfected over the course of decades
and in some cases centuries of practice, industrial
tile production has made almost quantum leaps
forward at intervals of 5-10 years.
The first progression was from traditional third fire
decoration (using the direct methods of screen or
flexographic printing or the indirect method of decal
decoration) to the introduction of silicone rollers
about 15 years ago.
This was followed by an increasingly widespread
use of decoration at the press, an innovation based
on the use of spray-dried powders with highly
intense colours.
The common factor behind all modern decoration
techniques is the use of computers, which due to
their ability to handle an enormous quantity of data
allow large surfaces to be printed and offer almost
unlimited scope for decoration. At this point, the
natural way forward in the use of IT systems was to
develop digital decoration techniques with their
well-known advantages.
As a pioneer in this field, in 2000 Ferro presented
Kerajet, the first industrial machine for in-line digital
tile decoration. The benefits of this system, which
combines the advantages of information
technology with rugged mechanics and is based
on a specially developed family of inks, are now
universally acknowledged by all tile producers.
But the chemical and physical principles behind
Ferro inkjet inks are less well known in spite of
being the foundations of this technology.
Soluble inks: the 28 Series
Although the literature on ink formulation for inkjet
decoration in general is enormous, information
relevant to the ceramic sector - where organic
pigments are replaced by inorganic oxides and
organometallic complexes - is much more limited.
However, all application situations require an
optimised system with low viscosity, moderate
surface tension, a high colour covering capacity
and non-toxic solvents.
The solvents must not dry and clog the nozzles
during breaks between printing, but at the same
time they must evaporate within just a few seconds
of application. Furthermore, they must not sediment
or change consistency during storage.
Inchiostri ceramici
per la decorazione digitale
La decorazione ceramica ha attraversato, nel corso
degli ultimi 20 anni, cambiamenti tecnologici di
grandissima portata. Se la ceramica artistica è rimasta
fedele a metodi e materiali tradizionali, perfezionati
durante decenni e, in alcuni casi, secoli di pratica, la
produzione industriale di piastrelle ha invece
compiuto salti quasi rivoluzionari ogni 5-10 anni: dal
tradizionale terzo fuoco (con stampa diretta, in
serigrafia o con tampone, così come con decorazione
indiretta attraverso le decalcomanie) all’introduzione
dei rulli siliconici circa 15 anni fa, fino all’uso sempre
più diffuso della pressa come momento chiave per la
decorazione. Quest’ultima innovazione è stata resa
possibile dall’uso di atomizzati di colore ad alta
intensità.
Ad accomunare tra loro tutte le tecniche decorative
moderne è poi l’uso decisivo del computer che,
consentendo di amministrare una grandissima
quantità di dati, permette di stampare superfici di
grandi dimensioni ed offre una possibilità di disegno
praticamente infinita. Una naturale evoluzione
nell’uso dei sistemi informatici, dato il livello tecnico
raggiunto, è stato, quindi, lo sviluppo di metodi di
decorazione digitale, con i già ben noti vantaggi.
Ferro, pioniera in questo campo, già nel 2000 ha
presentato Kerajet, la prima macchina industriale per
la decorazione digitale in linea di piastrelle. I pregi
di questo prodotto, che unisce i vantaggi
dell’informatica ad una robusta meccanica e si basa
su una famiglia di inchiostri appositamente
sviluppati, sono ormai universalmente riconosciuti da
tutti i produttori di piastrelle. Meno note sono invece
la chimica e la fisica che stanno alla base degli
inchiostri Ferro per applicazione ink-jet, base
indispensabile di questa tecnologia.
Gli inchiostri solubili: la Serie 28
La letteratura sulla formulazione di inchiostri per
decorazione ink-jet è praticamente infinita. Molto più
ridotte sono invece le informazioni relative al campo
ceramico, dove i pigmenti organici vengono sostituiti
da ossidi inorganici o complessi organo-metallici.
In tutti i casi applicativi è però necessario ottimizzare
un sistema a bassa viscosità, moderata tensione
superficiale, alto potere coprente dei colori, con
solventi non tossici. Questi, infatti, non devono,
seccandosi durante le pause di stampa, tappare gli
ugelli, ma, allo stesso tempo, devono evaporare in
pochi secondi dopo l’applicazione. Inoltre, non
devono sedimentare né cambiare consistenza
durante lo stoccaggio. Una soluzione a queste

These problems have been solved by adopting
soluble heavy metal complexes, a solution that
allows for the use of traditional liquid ink
technology in which the required colours are
developed during tile firing, i.e. when the
corresponding oxides are formed.
The application of inkjet ink formulation expertise
to ceramic materials has proved a major
commercial success and is protected by various
patents.
Series 28 inkjet inks contains mixtures of solvents
(mainly from the families of paraffins and glycol
derivates) which due to their viscosity, boiling
point and polarity have proved to be crucial for the
formation of droplets at the nozzle outlets and for
preventing foam formation.
The metals that create coloured compounds after
combustion are well known in the ceramic sector.
The Series 28 four-colour system uses cobalt for
light blue, chromium for yellow, ruthenium for
black and gold for red. After firing, gold does not
produce a coloured oxide but impregnates the
ceramic base with colloids with dimensions of a
few nanometres, forming the basis of the
well-known “ruby red” colour.
The use of dedicated stabilisers and additives in
sometimes very small concentrations assures an
excellent combination of the various properties
listed above.
Series 28 inks do not contain solids. Instead they
use organometallic compounds, mostly
formulated as salts of selected fatty acids, which
thanks to the choice of the most suitable
components are soluble in chosen solvents and
are stable in the long-term period.
problematiche è stata individuata nell’impiego di
complessi solubili di metalli pesanti che hanno
permesso di utilizzare la tradizionale tecnologia degli
inchiostri liquidi sviluppando i colori ceramici durante
la cottura della piastrella quando, cioè, si formano gli
ossidi corrispondenti con i colori desiderati.
L’applicazione delle conoscenze sulla formulazione di
inchiostri ink-jet a materiali ceramici è stata
indubbiamente una decisione lungimirante, oggi
protetta da diversi brevetti e confermata da un chiaro
successo commerciale.
In particolare, la Serie 28 degli inchiostri per ink-jet
contiene miscele di solventi, soprattutto delle
famiglie delle paraffine o dei derivati dei glicoli, che,
grazie a viscosità, punto di ebollizione e polarità, si
sono rivelate decisive per la formazione delle gocce
all’uscita dagli ugelli e per prevenire la formazione di
schiuma. I metalli che, dopo la combustione, daranno
origine ai composti colorati, sono ben conosciuti in
ceramica. Il sistema quadricromatico della Serie 28 usa
infatti cobalto per l’azzurro, cromo per il giallo,
rutenio per il nero e oro per il rosso.
Quest’ultimo, dopo la cottura, non produce un ossido
colorato, ma impregna la base ceramica di colloidi con
dimensioni di pochi nanometri: la base del ben
conosciuto “rosso rubino”. L’uso di stabilizzatori ed
additivi appositi, in concentrazioni a volte minime,
porta ad un’ottima combinazione delle diverse
proprietà elencate.
Gli inchiostri della Serie 28, non contengono solidi.
Si utilizzano quindi composti organo-metallici,
formulati per la maggior parte come sali di acidi grassi
selezionati e, grazie alla scelta dei componenti più
adatti, solubili nei solventi scelti e stabili nell’arco di
lungo tempo.
28 Series - Serie 28
This page - in questa pagina
- 'Pensieri' (above/in alto):
Through-bodied porcelain tile.
Ink-jet printing on relief-body
!res porcellanato tecnico. /ta0pa
ink-3et su i0pasto cera0ico strutturato.
- 'Sassi' (below/in basso):
Ink-jet decoration on glazed porcelain
tile, relief-body
Decora6ione ink-3et su i0pasto
cera0ico strutturato e s0altato
Facing page - nella pagina a fianco
(above/in alto) Double fast firing wall tile
panel decorated through ink-jet system on
striped relief-body. Manufactured (and
reproducted with the kind permission of)
by Tandem (Rubiera, Italy)
Pannello di rivesti0ento con decora6ione
ink-3et su supporto strutturato a righe.
da
Tande0 =
(below/in basso) Double fast firing wall tile
panel decorated through ink-jet system.
Manufactured by Tandem (Rubiera, Italy)
Pannello di rivesti0ento con decora6ione
ink-3et.

48 Series - !erie &'
- ‘Vyara’ (above/foto in alto):
inkjet decoration on monoporosa tile
decora6ione ink-3et su 0onoporosa
- ‘Roseton’ (below/foto in basso):
inkjet decoration on glazed porcelain tile
decora6ione ink-3et su gres
porcellanato s0altato
technology
Ceramic World Review
138 n. 68/2006
The advantages of liquid inks include:
- stability during storage
- no risk of clogging nozzles
- relative ease of cleaning printing machines
- uniform dispersion of droplets on the tiles
as they penetrate inside the ceramic body
- the possibility of superimposing colours with
a high degree of transparency so that the
colours on top do not hide the colours
underneath, thereby producing attractive
heterogeneous shade effects.
Series 28 also has other advantages, including
a good colour palette with bright colours
developed using glazes that are particularly
suitable for fast firing at temperatures of between
1000°C and 1150°C. The most important
advantage however is obtained if Series 28 is
used for decorating unglazed ceramic body such
as through-bodied porcelain tile. In this case the
inks penetrate inside the body and create a
palette characterised by warm colours that are
particularly suitable for imitating the most widely
used natural stones.
The technological challenge of Series 48
pigmented inks
The decorative scope of the inkjet system can be
extended using inks based on an enormous
palette of ceramic pigments, although they have
entirely different chemical and physical
characteristics. The solid-liquid interactions must
therefore be studied and controlled using
additives of a different nature. With pigmented
colours, the issue of stability becomes crucial.
Instead of a liquid solution, the inks consist of a
dispersion of granules with a density 3-4 times
higher than that of the solvent, which therefore
tends to sediment during storage and in all parts
of the machine where mechanical stirring is not
performed. The abrasive properties of pigments
are no less important due to the risk of
irremediably damaging the nozzles. The solution
developed by Ferro, called Series 48, is based
on dispersions of pigments with diameters of just
a few hundred nanometres, stabilised by special
additives capable of covering the surfaces of
pigments and controlling their wettability.
A critical choice was that of the solvent, which
sometimes has to be adapted to the chosen
pigment by the use of an additive. The best
properties, especially in terms of safety in the
workplace, are obtained with polar solvents such
as ethers or glycol esters.
Series 48 pigmented inks have properties that are
different from but complementary to those of Series 28:
I vantaggi degli inchiostri liquidi sono evidenti:
- stabilità allo stoccaggio;
- nessun pericolo che si tappino gli ugelli;
- pulizia relativamente facile delle macchine
da stampa;
- dispersione omogenea della goccia sulla
piastrella, che penetra nella massa ceramica;
- possibilità di sovrapporre colori quasi in
trasparenza, senza che il colore superiore
copra l’inferiore ed ottenendo quindi piacevoli
tonalità sfumate.
La Serie 28 presenta altri vantaggi: una buona paletta
cromatica dai colori vivaci, che si sviluppano con
smalti particolarmente idonei alle cotture rapide
comprese tra i 1000 e 1150 °C. Il vantaggio più
significativo si ha però se la Serie 28 viene utilizzata
per la decorazione di impasti ceramici non smaltati
(come nel gres porcellanato tecnico). In questo caso
gli inchiostri penetrano nell’impasto e permettono
lo sviluppo di una paletta caratterizzata da tinte
calde, particolarmente idonea quindi alla
simulazione grafica delle pietre più comuni.
La sfida tecnologica degli inchiostri pigmentati
Serie 48
Un ampliamento delle possibilità decorative del
sistema ink-jet è possibile usando inchiostri basati
sulla vasta paletta dei pigmenti ceramici,
caratterizzati però da una chimica e una fisica
totalmente diverse.
Le interazioni solido-liquido vanno quindi studiate e
regolate grazie ad additivi di natura differente. Con
le tinte pigmentate, il tema della stabilità si fa
cruciale: non più una soluzione liquida, ma una
dispersione di granuli con densità 3-4 volte
superiore a quella del solvente, che ha quindi la
tendenza a sedimentare durante lo stoccaggio ed
in tutte le parti della macchina dove manchi
un’agitazione meccanica. Da non trascurare, le
proprietà abrasive dei pigmenti che rischiano di
danneggiare irrimediabilmente gli ugelli.
La soluzione sviluppata da Ferro, denominata Serie
48, si basa su dispersioni di pigmenti con dimensioni
di poche centinaia di nanometri, stabilizzati da
additivi particolari in grado di ricoprire la superficie
dei pigmenti e regolarne la bagnabilità. Decisiva è la
scelta del solvente che, a volte, deve essere
adattato con l’additivo al pigmento prescelto. Le
migliori proprietà, anche pensando alla sicurezza
sul lavoro, sono offerte da solventi polari come gli
eteri o esteri glicolici.
La Serie 48 di inchiostri pigmentati è dotata di proprietà
diverse e complementari a quelle della Serie 28:
- alta definizione dell’immagine, poiché il pigmento

- high image definition because the pigment does
not penetrate inside the tile surface
- colour production that is generally independent
of the glaze used
- greater colour intensity at low and high
temperatures with the possibility of creating
a wide variety of decorations.
As will be evident from the above considerations,
the applications of digital decoration are virtually
unlimited, but in order to be able to exploit them
effectively it is essential to correctly understand
the chemical and physical processes involved.
With the Series 28 and 48, Ferro has established
a leading position in the field and is working
hard to further improve and extend its range
of inks.
Ferro’s research laboratories are working
towards the objectives of further improving
colour intensity, creating a colour range as close
as possible to theoretical potential, extending the
existing standard system from four to seven
colours and optimising special colours.
non penetra all’interno della superficie della
piastrella;
- sviluppo del colore indipendente, in generale,
dallo smalto utilizzato;
- maggiore intensità cromatica a basse e alte
temperature con possibilità di realizzare
una più ampia varietà di disegni.
Come è desumibile da quanto detto finora, le
applicazioni della decorazione digitale sono
praticamente infinite, ma la loro realizzazione è
possibile solo grazie alla comprensione di complessi
processi chimico-fisici. Con le Serie 28 e 48 Ferro si è
posta all’avanguardia in questo campo, e sta
attivamente lavorando al perfezionamento ed
amplia-mento delle gamme di inchiostri disponibili.
Un aumento dell’intensità del colore, lo sviluppo di
una gamma cromatica il più vicino possibile alle
possibilità teoriche, l’ampliamento del sistema base
da quattro a sette colori, così come l’ottimizzazione
di tonalità particolari sono gli obiettivi ai quali Ferro
sta intensamente lavorando nei suoi laboratori
di ricerca.